CC BY
22
Им, м
1-с. м
УДК 022.411.00
Г.Я. Полевщиков, Н.Ю. Назаров
ВЛИЯНИЕ СДВИЖЕНИЙ ПРОЧНЫХ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД НА ДИНАМИКУ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА
И
нтенсивная разгрузка газоносных массивов горных пород при отработке выемочных столбов сопровождается адекватной реакцией их газового потенциала. В подавляющем большинстве случаев она проявляется в виде соответствующих ква-зистатических и периодических динамических изменений в метанообильности выемочного участка. Логично предположить, что эти процессы, непрерывно регистрируемые системой мониторинга рудничной атмосферы, могут служить индикатором изменений свойств и состояний вмещающих пород, особенностях их сдвижений. Знание этих особенностей позволит с большей надежностью судить, например, об одном из основных в рудничной аэрогазодинамике показателе - относительной метанообильности выемочного участка. Объективность подобных суждений для существенно различных по своим горнотехнологическим параметрам объектов наблюдений возможна лишь при наличии некоторого базового критерия, достаточно полно нивелирующего влияния не принимаемых к анализу факторов. Например, при анализе динамики метанообиль-ности выработанного пространства действующего выемочного участка нежелательно влияние изменчивости метановыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля, связанного с целым комплексом свойств и параметров, весьма далеких от протекающих в под- надрабатывае-мых массивах процессов. Возможный путь решения этой задачи - максимально полное привлече-
ние апробированных методов исследования аэрогазодинамики выемочного участка.
Расчет параметров источников метанообильности выемочного участка выполняется в настоящее время как по геологоразведочным данным, так и по фактическим значениям, зарегистрированным при отработке лавы-аналога. Однако в последнее десятилетие геометрические размеры выемочных столбов и скорости их отработки стали изменяться столь существенно, что понятие "аналог" приобрело очень условное значение. Все чаще применяются комплексные подходы, наиболее надежным из которых является адаптивный прогноз метанообиль-ности на основе пространственных информационно-аналитических моделей. Этот метод отвечает и требованиям настоящей задачи, т.к. позволяет ответить и на вопросы об изменчивости, например, глубины разработки, стратиграфических характеристик и ресурсов метана в под- надраба-тываемых массивах.
Исследование выполнялось по горнотехнологическим данным шахты "Распадс-кая" для пласта 7-7а, лав 20, 22 и 22бис. Лава 22бис отрабатывалась первой на выемочном поле (в целиках). Лавы 20 и 22 отрабатывались по бесцеликовой схеме, их выемочные столбы на расстояниях от монтажной камеры 550 м и 360 м, соответственно, были надработаны по смежному пласту 9. Все выемочные столбы расположены на одном уклонном поле и имеют следующие геометрические размеры: 22бис - длина лавы 260 м, длина столба 1250 м; 20 - длина лавы 150 м, длина столба 1560 м; 22 - длина лавы 220 м, длина столба 1450 м.
Существенной геологической нарушенности не наблюдается. Свойства и гипсометрия пластов и вмещающих пород выдержаны, но в связи с особенностями рельефа местности глубина залегания по оси выемочных столбов существенно изменяется (рис. 1).
Подготовка исходных данных и расчеты выполнены с применением следующих разработок ИУУ СО РАН:
• методика и программа подготовки пластовых геологоразведочных данных по геологоразведочным скважинам;
• методика и программа картирования и трассирования горно-геологических данных;
• методика и программа автоматизированного
пространственного прогноза метанообильности выемочного участка с учетом изменчивости свойств и состояний массива горных пород и технологических параметров.______________________
Зм, м /м м
По данным 41 геологоразведочной скважины установлено, что основные характеристики, определяющие газокинетические свойства массива, изменяются в пределах +10 % от их средних значений (мощности междупластий, мощность пласта, газоносность, влажность, зольность, выход летучих, угол падения).
Распределение по глубине средних по площади выемочного столба геологических ресурсов метана в пределах горных блоков рассматриваемых столбов представлено на рис. 2. Из графиков видно, что газовый потенциал массива достаточно выдержан и динамика метанообильности выработанного пространства не может быть связана с какими-либо аномальными по газокинетическим свойствам зонами в горных блоках. На данном рисунке положение разрабатываемого пласта меняется в пределах отметок: лава 22 бис 5-50 м; лава 20 70-120 м; лава 22 40-90 м.
Разгрузка от горного давления, обрушение и сдвижения горных пород в процессе отработки пласта, нарушая метастабильное состояние углеметановых пластов, в пределах вполне определенных зон распространения технологических возмущений, обуславливают соответствующие газокинетические процессы.
Следовательно, развитие зон геомеханических процессов в условиях значительной газоностно-сти массива, неизбежно будет сопровождаться адекватной динамикой поступления метана в выработанное пространство. По величине и перио-
Рис. 1. Глубина залегания пласта по оси выемочных столбов 20, 22 и
22бис
Рис. 2. Распределение средних по площади выемочных столбов ресурсов метана в горных блоках лав 20, 22 и 22 бис
дичности газокинетических импульсов можно судить об особенностях и размерах зон достаточно активных геомеханических процессов.
Сущность разработанного подхода поясним на примере лавы 22бис, отрабатываемой вне зон влияния других горных работ.
Лава проветривалась по комбинированной схеме проветривания с изолированным отводом метана из выработанного пространства за пределы выемочного участка с помощью установленного на сопряжении вентиляционного штрека с фланговым уклоном газоотсасывающего вентилятора ВМЦГ-7 и общешахтной депрессии.
Таблица
ОБОБЩЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПО ВЫЕМОЧНОМУ УЧАСТКУ 22БИС
Показатели Исходн
среднесуточная добыча угля в декаде А, т/сут расход воздуха, м3/мин.
кон.штр Qк. вен.штр Qоч. исх.выр.п р-ва Qвмцг
Количество наблюдений 35 35 35 35
Среднеарифметическое значение 4150 1393 1057 336
Максимум 6700 1860 1300 690
Минимум 1970 790 600 190
Н , м
Обобщенные показатели фактических данных
представлены в таблице и на рис. 3.
Из графика видно, что в последнем декадном замере наблюдается резкое увеличение относительной метанообильности qу,ф. Оно связано с технологическим процессом завершения отработки выемочного столба - "заводкой" механизированного комплекса лафетом и нарезкой демонтажной камеры. В этом технологическом цикле производительность забоя весьма низкая, что и обуславливает всплеск величины относительной метанообильности. Данные период работы выемочного участка нетипичен и в дальнейшем анализе его параметры не учитывались.
Выше отмечалось, что при анализе особенностей физических процессов в массиве горных пород на объектах с существенно отличными параметрами необходимо нормирование контролируемых величин относительно некоторого показателя или типовой функции. Наиболее удобно в этом качестве использовать величину относительной метанообильности выемочного участка, устанавливаемую
кость функции согласно изменениям горнотехнологических условий. С использованием этого
^ Г\ бис
подхода для условий лавы 22 получена поправочная функция, обеспечивающая требуемую точность расчетов относительной метанообильности
цу = Ечур е“^',
где qу - ожидаемая относительная метанообильность участка, м3/т; qу,р - тоже, расчетная по, м3/т; Е - нормирующий
Рис. 3. Относительная метано-обильность выемочного участка 22бис
множитель; t - время пребывания отбитого угля в пределах действия струи подаваемого на участок воздуха, мин; V - скорость подвигания забоя, м/сут; а= -0,111, 1/мин и Р =-0,069, сут/м - эмпирические коэффициенты.
Введение поправочной функции обеспечило трехкратное снижение среднеквадратического отклонения расчетных и фактических значений относительной метанообильности. При этом полностью исчезли кажущаяся связь относительной метанообильности участка и количества подаваемого на него воздуха и якобы существующая нелинейность
зависимости абсолютной метанообильности от ее относительной величины и производительности участка, а разброс относительных отклонений (рис. 4) приобрел достаточно приемлемый в экспериментальной газогеомеханике видАналогичным образом уточнены газокинетические характеристики и для лав 20 и 22 (рис. 5 и 6).
по геологоразведочным данным с использованием пространственных информационноаналитических моделей, обеспечивающих гиб-
С позиции формального обеспечения надежности прогноза метанообильности и, соответственно, проектирования проветривания выемочных участков, результаты вполне удовлетворительные. Но при внимательном рассмотрении распределения по длине выемочных столбов величин отклонений отчетливо видна определенная системность. Квазилинейная функция роста относительной метанообильности выемочного участка 22бис, отражает плавно возрастающий приток газа из развивающейся зоны влияния действующего выемочного участка на состоя-
ние вмещающих пород. Градиент роста связан с интегральным влиянием не одновременно вовлекаемых в процесс элементарных источников газовыделения, каждый из которых разряжает свою часть газового потенциала по затухающей во времени зависимости.
Развитие зон разгрузки пород происходит как в под-, так и надрабатываемых массивах. Но процесс количественного развития в подрабатываемом мас-
Рис. 4. Отношение фактических п и расчетных п значений
1у,ф р
относительной метанообильности выемочного участка 22бис по длине столба Lст.
Рис. 5. Отношение фактических п и расчетных п значений
1у,ф lу, р
относительной метанообильности выемочного участка 22 по длине столба Lст.
Рис. 6. Отношение фактических и расчетных п значений у,ф 1у, р
относительной метанообильности выемочного участка 20 по длине столба Lст.
сиве имеет качественный переход-нарушение устойчивости, что в надрабатываемых породах отсутствует. В результате имеем плавно возрастающую функцию с параметрами связанными со скоростью вовлечения элементарных источников газовыделения и кинетикой их газоистощения. Допущения о том, что газоприток из надраба-тываемого массива изменяется с закономерностью квазилинейной функции, требует проведения параллельной ей кривой ниже точки минимума экспериментальных данных (рис. 3-5, пунктирные линии). Тогда вся динамическая часть газопритока будет характеризовать подрабатываемый массив.
Имеющий место обратный знак градиента рассматриваемой функции в лаве 22 по отношению к лаве 22бис, объясняется существованием второго направления стока метана из надрабаты-ваемого массива - в сторону ранее отработанного вышележащего по разрабатываемому пласту выработанного пространства, что вполне возможно при бесцеликовой отработке пласта. В связи с тем, что проницаемость вмещающих пород на порядки меньше проницаемости угольных пластов по напластованию, разгрузка надрабаты-
Чу.ф^Чу.р
♦
♦ ♦ ♦ ♦ ♦
♦ /л ♦ / / ♦ \ ♦ л\<
♦ *
надработанный участок « * * ►. ♦
О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Цт., м
Чу.ф^Чу.р
о
о о о
п о_, °5 о о о Эо о° л°0 ° ° о° ° !> ° СО С 2_
о Г сР о с# э о °о п , ° хо о с °оаэ° О &
' ' надработанный участок
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Цт., м
ваемого пласта от горного давления не только провоцирует реализацию его газового потенциала, но и открывает направление для его стока. В результате при бесцеликовой отработке имеем (рис. 5) на первых интервалах отхода от границы надработанной по вышележащему пласту зоны (около 400 м) повышенный газоприток, который по мере дальнейшего движения лавы плавно снижается. Причем это характерно только для длинных лав. При длине лавы 150 м (лава 20) дальность перетока в ранее разгруженное пространство соизмеримо с мощностью междупластья (70 м) и рассматриваемая функция имеет линейный вид, отражая постоянство равенства рассматриваемого отношения (рис. 6).
Отметим, что указанное допущение сделано для рассмотрения особенностей газокинетического процесса, доказывающих факт развития зоны разгрузки надрабатываемого массива много больше принимаемой действующими нормативными документами в 35 м. Использование допущения для количественных расчетов нецелесообразно.
Динамические функции для лав 22 (рис. 5) и 22бис (рис. 4) показывают следствия некоторых относительно быстрых периодических процессов по мере подвигания забоя. Они не могут быть объяснены неравномерностью распределения газового потенциала в пределах контура выемочного столбов, т.к. даже на многократно большей площади из трех выемочных столбов его изменения достаточно малы (рис. 2). Естественной, на наш взгляд, причиной формирования динамической функции газопритока в выработанное пространство могут быть сдвижения, просадки, пород выше основной кровли пласта.
По мере сдвижений очистного забоя разгрузка от горного давления и связанные с ней расслоения пород выше зоны крупноблочного разрушения (8-10 мощностей пласта) повышают проницаемость слоя между выработанным пространством и потенциальными источниками газовыде-ления. Основными источниками являются газоносные углеметановые пласты любой мощности. Разгрузка от горного давления нарушает их мета-стабильное состояние с формированием соответствующего давления газа и его стока в направлении меньшего давления. Согласно закона одномерной фильтрации разность квадратов этих давлений, газоносность слоя и площадь фильтрующей поверхности определяют интенсивность газоперетока. Поскольку с отходом лавы площадь
линейно возрастает, то график прироста близок к линейному с отклонениями, связанными с кинетикой газоистощения источника.
С ростом подработанной площади неизбежно возникает процесс относительно быстрой, не более нескольких суток, просадки пород. Мощность слоя единовременных сдвижений в нашем случае, возможно, соответствует глубине от поверхности за вычетом 8-10 мощностей пласта. Основанием этому предположению заключению служат прежде всего динамические характеристики газокинетических циклов. В пределах каждого цикла имеем возрастающие и нисходящие интервалы, причем второй может иметь в районе максимума равное или меньшее первому абсолютное значение. Равенство и тем более меньшая величина возможно только в одном случае, когда газовый потенциал подработанного массива горных пород в результате сдвижений получает более удобное направление своей разрядки, к другому газоприемнику. В случае лавы 22бис им может быть только земная атмосфера. Возможно, этот эффект связан с относительно небольшой глубиной залегания пласта.
Для исключения неоднозначности понимания рассуждений введем рабочее определение - послойная просадка материнской кровли. Материнская кровля - породы между верхней границей основной кровли и дневной поверхностью. I слой материнской кровли - мощность слоя пород, просадка которых по мере движения очистного забоя протекает единовременно и с шагом, ближайшим большим по отношению шага посадки основной кровли. II слой и т.д. материнской кровли ранжируются соответственно шагу просадки первого и т.д. слоев.
Шаг просадки первого слоя при прочих равных условиях зависит от геометрии площади подработки. При наличии целиков по всему контуру выемочного столба (лава 22бис) он в 1,4 раза больше, чем в условиях бесцеликовой отработки пласта (лава 22) при длинах данных лав 260 м и 220 м, соответственно. При еще меньшей длине лавы (150 м) процессы просадки материнской кровли не фиксируются (рис. 6) системой контроля рудничной атмосферы в связи достаточно малым расстоянием газопере-тока из разгружаемых от горного давления угольных пластов в направлении старых выработанных пространств.
В зонах надработки выемочных столбов шаги просадки остаточной толщи пород до почвы вышележащего пласта составляют около 150 м при длине лавы 220 м и мощности междупластья 150 м (лава 22, участок 0-400)
Из изложенного можем заключить, что газогео-механические процессы в массиве прочных пород при разработке угольных пластов современными технологиями обладают целым рядом особенностей, в том числе и динамического развития. Причем, при соответствующем комплексном подходе параметры геомеханических процессов могут существенно уточняться по процессам газокинетическим и наоборот. Полученные результаты по трем лавам с существенно отличными условиями могут служить основой проектирования, например, нижележащей лавы 24, которая будет отрабатывать выемочный столб с размерами 250 м на 3200 м. По длине столба имеются надработанные интервалы, предохра-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
нительные целики и традиционная бесцеликовая отработка, т.е. весь комплекс рассмотренных горнотехнологических условий.
Изложенный подход безусловно требует для своей реализации указанных в начале данной работы методических и программных средств и определенных навыков. Однако, по мере накопления данных может выполняться и в оперативном режиме технологической службы шахты при дооснащении действующих на ней автоматических систем контроля рудничной атмосферы контроллерами, например, завода "Электро-точприбор" (г. Омск) и персональными компьютерами с программным обеспечением, созданным ИУУ СО РАН в процессе разработки адаптивной автоматизированной системы прогноза и контроля газопроявлений в угольных шахтах.
Полевщиков Геннадий Яковлевич - доктор технических наук, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН, г. Кемерово.
Назаров Николай Юрьевич - аспирант, Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН, г. Кемерово.
^
